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　　摘要 罗茨真空泵近年来在国内外得到较快的发展，在冶炼、石油化工、电工等行业得到广泛应用，主要是用于输送石油及石油产品和工厂输送各种油类和液体。 本文主要设计罗茨真空泵的结构设计，重点研究罗茨真空泵的结构特点，在研读了诸多相关文献资料的基础上，分析罗茨真空泵国内外研究理论和现状，进行了罗茨真空泵的整体方案及设计，对相关技术参数进行了设计，利用solidworks软件设计图纸。 关键词：真空泵，转子，solidworks 全套图纸，加153893706 Abstract Roots vacuum at home and abroad in recent years rapid development, smelting, petrochemical, electrical and other industries are widely used, mainly used to transport oil and petroleum products and plant transport all kinds of oils and liquids. In this paper, the design structure design Roots vacuum pump, Roots vacuum focus on the structural characteristics of the study the basis of many of the relevant literature, theory and research status at home and abroad Roots vacuum pumps, vacuum pumps for the overall program and Roots design and related technical parameters were designed using solidworks software design drawings. Keywords: vacuum pumps, rotors, solidworks 目 录 绪 论 错误！未定义书签。 第一章 线 需要不断扩大的线 真空技术在能源方面的应用 5 1.3 真空泵市场各类泵设备发展现状 7 1.4 线 对真空技术未来发展的期望 12 第二章 罗茨线罗茨真空泵的型式和气冷式罗茨线 总体传动结构设计 23 3.4 斜齿圆柱齿轮传动设计计算 24 3.4.1 按齿面接触强度设计 24 3.4.2按齿根弯曲强度设计 26 3.4.3 齿轮几何尺寸计算 26 3.5 渐开线 按扭转强度条件计算 34 3.6.2按刚度条件计算 34 3.6.3 精确校核轴的疲劳强度 35 3.7 轴承选取设计计算 38 3.7.1 轴承的设计参数 38 3.7.2 轴承的当量动载荷计算 38 第四章 罗茨线 solidworks的简介 40 4.2 solidworks的创建和发展 41 4.3 solidworks的功能和特征 41 4.4 罗茨真空泵零部件三维模型设计 42 4.5 罗茨线 绪 论 真空泵的分类： 真空泵利用机械、物理、化学、物理化学等方法对容器进行抽气，以获得和维持真空的装置。真空泵和其他设备（如真空容器、真空阀、真空测量仪表、连接管路等）组成真空系统，广泛应用于电子、冶金、化工、食品、机械、医药、航天等部门。按真空泵工作原理，基本上分为气体输送泵和气体捕集泵两种类型。气体输送泵包括：1、液环线、旋片线、滑阀线、余摆线、罗茨线、牵引线、复合式线、水喷射线、扩散泵等气体捕集泵包括：吸附泵和低温泵等。? ??首先介绍几种常见泵及其特点： 2SK、2SK-P1系列双级水环式真空泵 主要用来抽除空气和其他有一定腐蚀性、不溶于水、允许含有少量固体颗粒的气体。广泛用于食品、纺织、医药、化工的行业的真空蒸发、浓缩、浸渍、干燥的工艺过程中。该泵具有真空度高、结构简单、使用方便、工作可靠、维护方便的特点。 2XZ型旋片式真空泵 具有结构紧凑、体积小、重量轻、噪音低、振动小等优点。它适用于作扩散泵的前级泵，而且更适用于精密仪器配套和实验室使用。例如:质谱仪器、冰箱流水线、真空冷冻干燥机等。 XD型旋片式真空泵 可以在任意入口压强下工作，已普遍应用于食品的真空包装，塑料工业的真空吸塑成形。印刷行业的纸张输送、真空夹具、以及真空吸引等。SZ、SK系列水环式真空泵主要用于粗真空、抽气量大的工艺过程中。它主要用来抽除空气和其他无无腐蚀、不溶于水、含有少量固体颗粒的气体，以便在密闭容器中形成真空。所吸气体允许混有少量液体。它广泛应用于机械、医药、=食品、石油化工等行业中。 罗茨真空泵是一种旋转式变容真空泵须有前级泵配合方可使用在较宽的压力范围内有较大的抽速对被抽除气体中含有灰尘和水蒸气不敏感广泛用于冶金、化工、食品、电子镀膜等行业。 本次设计的罗茨真空泵是根据我国的实际生产情况以及现有的技术水平，综合国内外同类产品的优点，本着高效率，低成本的原则，自行设计的。广泛应用与真空冶金、真空脱气、真空镀膜以及空间模拟、低密度风洞等装置中抽除非腐蚀性气体，还可用与医药、食品、电子、化工等工业的蒸馏、蒸发、干燥等生产过程。 该机器的主要机构为：主轴电动机带动主轴旋转，轴上有一对“8”字型转子在泵壳中作等速反向旋转而产生吸气和排气作用。由于此次设计缺少大量资料给设计制造了巨大困难，对于这次设计的不足希望各位老师提出宝贵的意见。 在本次设计中得到了宋爱平老师的悉心指导，对此表示衷心的感谢！同时也对在设计过程中给与我大力帮助和指导的各位老师一并表示感谢！ 第一章 线 需要不断扩大的线世纪，真空的需求是增长还是减少?今后的发展趋势又将如何?这主要取决于真空应用的领域是否增加，需求是否增长。? ? 在20～30年前，真空书籍中就指出：真空技术的应用，一是靠压力差，二是通过空间的电子或分子排除干扰，三是降低粒子撞击表面的次数。用于各自的需求不同，所需的真空度当然也就不同了。所谓排除空间障碍物，即粒子的平均自由程要比装置的特征尺寸长。真空蒸发、电子管和加速器就是利用了真空的这一特点。除大功率的电子管外，其他大部分做成固体元件，这样就不再需要真空了。暖水瓶是真空技术在人们日常生活中的重要应用，如果以后能生产出优良的绝热材料，且很便宜，那么真空在暖水瓶的生产过程中将会失去作用。从降低表面粒子入射频率的必要性看，超高真空技术定会得到发展，它可使表面长时间地维持其清洁。目前，真空技术的应用的特点是：利用真空环境来研制一些新材料和新工艺。使真空应用领域得到进一步扩大，例如超微粉和纳米颗粒的制作以及固体元件的工艺开发。另一个应用领域是为了减少化学反应过程和核聚变反应中的不纯物，有时也要利用真空。真空室的器壁本身与反应过程有着极其密切地关系。? ? 人们对真空的需求将会扩大。如日本三井物产公司把铅掺入铝中，然后用高温使铝蒸发，利用这种方法炼铝就会扩大对真空泵的需求。因此，对于真空设备厂来说将会有一个很大的真空泵的销售市场。过去炼铝采用电解法，现正在研究熔炉还原法。在熔炉内还原时，由于耐火材料与铝的混合，使分离非常困难。如果把熔炉中出现的含有铝的不纯物溶解于铅溶液中就可以对含铝的铅和不纯物进行分离。利用真空可以分离由此形成的铝铅混合物。由此可见，新工艺的出现，就会直接影响到真空行业，对真空的需求也会随之急剧增加。前几年我国真空炼镁工艺的出现，曾一度使真空设备厂产的滑阀泵和罗茨泵供不应求。造成畸形发展。但这也说明一个问题，即新工艺、新材料等出现，势必要带动真空产业等发展。? ? 在2l世纪，表面处理在内的表面技术成为相当大的一个真空应用领域。因为人们对材料可靠性的要求，尤其对表面技术的应用定会有所增长。现在人们都喜欢用防锈、防氧化的材料。铝合金虽己生产出来了，但就原有工艺稍加改进，就会在性能上大有改观，如用氧化膜将材料与大气隔开，就能满足用户上述的要求。这种情况，只要提示一下与真空厂家合作就能开拓一个相当可观的市场。又如过去作超纯铝箔的方法很费事，又要把真空设备应用到这个项目的生产过程中去，就一定会产生更好地超纯铝箔来。如果真空厂家能积极地参与到这一应用领域中去，人们对真空的需求自然会大大加强。? ? 今后电子技术领域对真空的需求也会继续有所增长。由于真空是个很纯净的空间，而电子元件的生产工艺也需要纯净，因此真空是制作电子元件的理想环境。如分子束外延，半导体产品多是在真空状态中进行的。? ? 搞分子束外延似乎都在以超大规模集成电路为目标。要想达到这一目标就要求有非常微细的结构。在这种情况下，最大的障碍就是灰尘。如果一系列的操作都能在真空中进行，从底片进入真空室到最终处理完成也在真空中进行是最理想的。如何去掉灰尘，首先是避免人与元件的直接接触。但真空设备不一定都是干净的。一般认为放气、排气或者切换开关时就会扬起灰尘，所以还是存在一定的问题。有时也需要给装置搞一个清洁的表面，清洁的表面是极其容易受污染对，当必须使表面维持清洁状态的时候，有一个受到控制的气体环境往往比处于超高真空状态更为理想。为了充入某种气体以保证清洁度，就要在充分处理本底之后，再充入干净的气体。例如在溅射成膜时的真空度并不高。然而充入气体之前的本底压力则对膜的质量有很大的影响，所以溅射装置必须给创造一个良好的本底真空度。? ? 有时由于充入其它气体，而使得真空度略有下降，但就在这种真空度稍有改变的情况下，也可以进行同样的操作。真空技术不仅仅建立狭义上的真空，而且制作高纯气体，再受控制的环境下维持所需表面，这也是真空技术的应用。如果这样考虑，真空技术的应用也就更广泛了。? ? 真空设备似乎可以作为工具使用。人们随着对高级产品的需求，也迫切需要真空技术更加简便，并可应用于高新技术领域。因此，在21世纪真空技术将会继续得到发展。? ? 最近，人们对能源危机的关注已逐渐淡薄，但如何根本问题并没有得到解决。能源问题是一个长期地、不容乐观地重要问题。从长远的观点看，要研究用新能源代替旧能源。如太阳能利用技术，在不久的将来，有可能达到实用化。日本曾提出到1990年，总能源的需要量的2％将由新能源代替。将核聚变装置列为2l世纪达到实用化的目标。现在各国都在进行太阳热利用技术。典型的太阳热利用技术即对太阳热发电系统的研究。? ? 日本于1981年在香川县建成了第一座1MW的太阳热实验发电厂。采用塔式聚光和曲面聚光两种方式。这两种方式的额定输出均为1000kW。在美国、法国、俄罗斯、德国、西班牙及意大利等国都将太阳热发电厂的研究开发列入了国家计划。这些工厂的容量为500kW～10MW，并已建成应用。? ? 太阳热发电系统是由聚热装置、热传输管、蓄热装置、发电机和计量控制装置所组成。? ? 太阳热发电的聚热温度范围很宽，约为150～550。要想获得150以上的热能，就必须有聚光装置。聚光的方式有很多种，但多数都采用反射镜。镜面材料多使用银和铝等。表面镜由于膜面暴露在大气之中，受氧化和摩擦等因素的影响，会使反射率较低。黑面镜的缺陷是在于基板和膜面的界面上，发生污染。? ? 近来，由于高分子材料制作的软镜具有重复性好、透过率高、能大量生产、成本低等特点，而倍受重视。? ? 选择吸收面对有效利用太阳能极为重要。在选择吸收面的制作上，采用了真空技术。高温聚热装置中采用了聚热管。为防止由聚热管造成的对流损失，用透明玻璃管覆盖在聚热管外面，玻璃管内保持真空状态。? ? 下面将按原理把选择吸收面的光吸收选择性，分类说明如下：? ? (1)利用半导体膜的谱带之间的迁移而产生基础吸收。? ? 在红外线领域具有高反射率的金属表面上，涂上一层吸收波长为1～3μ的半导体膜，就制成了选择吸收面。用Si、Cu、PbS、Ge、CuO、Cr2O3等材料作为半导体膜。这种结构的膜，它可吸收阳光转变为热能；对红外线则呈透明体。由于金属表面的作用使得辐射率变小，可以更有效地利用太阳能。由于Si、Ge对太阳光的折射率高，涂上SiO2等材料的减反射膜，对太阳光的吸收率变好。? ? (2)利用薄模干涉形成减反射效应。? ? 在基板上制成具有高反射率的金属膜，在膜上叠加干涉滤光镜。干涉滤光镜由电介质膜+半透明金属膜+电介质膜所组成。像这样结构的膜，可见光在电介质膜中被吸收，而红外线透过干涉滤光镜被金属膜面反射而使辐射率变小。? ? 采用这种方式的选择吸收面的例子如：Al2O3/MO／Al2O3／MO基板，及利用光干涉效应的单层膜一耐温性极好的金属碳化物，金属氮化物，如ZrCx、HfCx等。槽型抛物面镜收集器(带有ZrCx／Zr选择吸收面)。? ? (3)利用表面和膜结构形成的反射特性与波长的相互关系。? ? 在加工成深沟和棱角的表面上，垂直入射的太阳光，在沟与棱角的间隙中，经多次反射而被吸收。? ? 这种面会因高温加热而引起性能劣化，其原因可能由于蒸发、热分解、热膨胀造成的剥离和表面成份变化，紫外线照射引起的化学反应或机械损伤等因素造成的。? ? 太阳光利用技术，也就是利用太阳光来发电，它是通过太阳电池吸收阳光，先变为直流电再转换为交流电加以利用的。? ? 太阳电池就是将阳光直接转变为电能的元件。? ? 这种太阳光利用技术，过去仅被用在宇宙卫星、台灯电源和边远地区的通讯电源。现在的价格仍较高(日本资料报道于1984年时其价格为3000日元／瓦)，所以应用范围有限。? ? 如能在太阳能电池的主体材料上加以研究和改进，降低太阳能电池的成本，改进制作太阳电池生产的工艺，这种技术是会得到进一步发展的。如日本曾在对3Kw的个人住宅，20Kw集体住宅，200Kw学校用装置，lOOKw工厂用装置以及1000Kw集中的大容量装置等进行了研究。这些装置的大部分电力，最终将联接到电力系统上去，同现有发电厂组合运行，向形成综合电力调配系统方向发展。? ? 非晶硅太阳电池的制造，如辉光放电分解法，反应溅射法，真空蒸发法等，多采用真空技术。? ? 辉光放电分解法：将被稀释的氢和氩等加入到硅烷等低压气体中引起辉光放电，在等离子区分解硅烷，可使非晶硅堆积在低温基板上。? ? 另一种是反应溅射法：把结晶硅作为阴极，在10-3～10-1托非活性气体中，加上高压使其放电。因放电产生正离子轰击阴极，阴极材料就被溅射出来。如果在阴极附近安置一块低温基板，基板上将堆积起非晶硅膜。? ? 太阳电池不仅要求高效、廉价和大面积等特点，而且要求暴露在自然条件下具有良好的稳定性。? ? 非晶硅的优点很多，能在玻璃、不锈钢、塑料等基板上作成大面积廉价的薄膜；比结晶硅光吸收系数大，能带宽度比结晶硅宽。? ? 核聚变是人类未来的可靠能源，它的实现是全世界人们的愿望。目前，世界上最先进的磁场封闭式托卡马克型核聚变装置，很多国家都在开发研制。美国正在研制TFTR型，欧洲共同体制作JET型，俄罗斯研制T15型，日本研制JT60型的托卡马克型核聚变装置。? ? 大型聚变装置的建造和运行，大大推动了高新技术的开发，特别是真空技术、低温技术、磁体技术、大功率脉冲电源技术和射频加热技术以及遥控处理技术等。? ? 核聚变装置的真空室用来长时间包容高温等离子体。例如欧洲联合环JET真空室是一个全焊接的双层壁结构的环型容器。总容积为200m3，焊缝总长达8000m。这种真空室漏气率很低，在室温和500时要满足3000余年渗入真空室l升气体的极微小的漏率。可控聚变装置用的高真空泵采用涡轮分子泵和低温泵，前者用于检漏，后者则用于抽排聚变反应废气的主泵。工作于4.5K的具有活性炭吸附剂的低温泵，所吸留的废气中，除了氘氚核反应产物氦灰外，还有大量未能参与核反应的氘和氚。把回收后的氘和氚再注入到大环真空室中，把除氚外的杂质气体按环保要求排放出去。? ? 这种装置的研究，可通过国际合作攻关，人类有望在2l世纪中期建成氘一氚核聚变示范电站，最终目标是提供市场销售用电的核聚变发电站，为2l世纪的新能源和经济发展做出应有的贡献。? ? 等离子体科学技术和真空科学技术将会得到协同发展，并将为探索宇宙结构和物质起源等重大基础科学研究中起着重要的作用。真空泵是一个量大面广的产品，产量很大，产值不高，但它确实是一个直接影响到真空成套设备性能质量的必不可少的基础产品。真空泵的市场根据用户的需要而发生动态变化。市场增长的主要驱动力来自于半导体工业的迅速发展以及干泵和分子泵应用领域的日益扩大。????目前，全球线%左右。??? 我国生产真空泵的厂家很多，全部线亿元左右，仅相当于美国Kinney公司一家真空泵的年销售额。通过对全球真空泵市场的分析我们可以看出，各类真空泵的市场及应用领域都在不断变化和发展。我国真空泵制造业有着悠久的历史和雄厚的基础，国产真空泵已经在各个不同领域得到应用并经过验证，有些泵还出口国外，得到国外用户的认可并受到好评，应该说我国真空泵制造业在国内外市场仍然有着巨大的发展空间 1.水环真空泵??? 虽然水环真空泵属于粗真空泵，但在我国的石油、化工、电力、轻纺、造纸、医药等领域仍然有着很大的市场。在国外，水环泵的销售额占全部线%，仅次于干泵，所以Nash、Seimems和Kinney等公司都在我国投资建厂或建立销售网络，不断扩大在我国的市场份额。由于水环泵大部分是铸件，加工要求也不高，属劳动密集型产品，所以国产水环泵在价格上有竞争优势，关键是要改进设计，缩小体积，减轻重量，提高效率，降低能耗。??? 滑阀泵是油封式真空泵的一种。由于滑阀泵比较耐用、可靠，国内外各种真空炉、镀膜机以及干燥、浸渍等设备都是用滑阀泵作为前级泵，但是滑阀泵铸件重，加工工作量较大，所以国外各真空厂都在中国寻找合作伙伴。为了使国产滑阀泵能够进入国际市场，必须进一步降低泵的振动噪声，杜绝喷油和漏油，提高滑阀泵长期运行的可靠性。????3.直联旋片泵??? 随着真空技术在各个应用领域的不断扩大，直联旋片泵的需求量越来越大。由于这种泵数量很多，加工装配工作量很大，价格又很低，所以有的国外真空厂商在中国建立专业厂。国产中小型直联旋片泵在技术上已经过关，价格又远比国外的泵便宜，所以国产泵仍然有竞争优势，关键是要解决轴封漏油以及旋片材料和真空泵油的性能质量问题，确保直联泵在高速、高温下性能稳定和运行可靠，同时还要进一步提高国产直联旋片泵抽除水蒸气的能力。????.分子泵????分子泵在国外半导体领域里的许多工艺场合是用来代替低温泵，尤其是溅射、刻蚀和LCVD等装置都采用复合分子泵和牵引泵作为主泵。????由于分子泵对水蒸气的抽速仅为同口径低温泵抽速的四分之一，所以分子泵的排气时间比低温泵长。为了提高抽速，国外在分子泵的入口侧装一个-130～-150的低温冷板，称之为低温分子泵，水蒸气被低温板捕获，其他气体则由分子泵抽走。这种低温分子泵在真空镀膜装置上应用，既提高了生产效率又改善了膜层质量。随着我国半导体工业、薄膜产业和科学研究事业迅速发展，分子泵应该是我国真空泵制造业发展的重点。首先，分子泵要从小到大建立完整系列，并研究开发各种复合分子泵、牵引泵和低温分子泵，以满足不同场合的需要。????.干式机械真空泵????国外干式机械真空泵市场的不断增长，其主要驱动来自于半导体行业、化学工业、薄膜产业的迅速发展。在日本，半导体行业已全部用干式真空泵代替油封式机械泵，欧美半导体行业45%以上用干式真空泵代替了油封式机械泵，大大提高了产品的性能和质量。为了满足不同应用领域和不同工况的要求，国外有多级罗茨真空泵、多级爪式真空泵、螺杆式真空泵、涡旋式真空泵、往复式活塞真空泵以及涡轮式无油线/h。据统计，目前国产干泵的应用还不足1%，国内半导体工业用的干泵全部从国外进口，其价格十分昂贵。所以，我国应大力研究开发干泵，使干泵成为我国真空工业新的经济增长点。技术发展的原动力在于市场的需求。由于真空技术领域的扩展和迅速成长的高新技术，国内真空泵市场对真空泵的技术水平提出了更高的要求。真空泵的生产企业必须通过技术创新和产品结构的调整两个途径来保住原有市场，进而继续扩大市场占有率。????提高真空泵的可靠性，降低振动、噪声，注重真空泵的综合水平。过去的若干年，生产厂注重真空泵的主要性能指标，比如，极限压力、抽速等，而忽视真空泵的综合性能。而现在，产品的可靠性、性能的稳定性以及对环境不 造成污染逐渐成为用户购买产品时考虑的主要因素。对于旋片泵、罗茨泵、滑阀泵等而言要将成熟的可靠性设计理念运用到真空泵的设计中，在可靠性设计、可靠性实验等方面下工夫，以大幅度提高真空泵的可靠性 、 稳定性和寿命，保证真空泵能够在各种工况下长期可靠的运行。同时通过采用新技术、新材料、新工艺、新结构来降低振动、噪声，解决泵的喷油、漏油问题，还用户一个清洁环保的工作环境。企业面对的永远是变化的市场，而我们的真空泵产品却千篇一律的雷同。产品和市场的不衔接，使我们丢掉了许多机会。真空泵的下一步发展应该面向个性化和多样化。所谓个性化和多样化就是针对不同用户的不同需求，设计针对某一用户的特定场合的产品，使产品在这一场合应用，其特性的发挥恰倒好处。????尽快形成分子泵和干泵的规模生产。根据预测，到2010年我国将成为世界上第二大半导体集成电路市场，总需求量约1000 亿块，达到1000亿美元以上的总金额，需要建30多条大生产线条生产线台，是目前我国线左右。????国内目前真空获得设备仍然以传统的真空泵为主，主要为旋片真空泵、滑阀真空泵、罗茨真 空泵、蒸汽流泵、水环真空泵等，且全部用于传统产业，我国生产的真空泵用于电子信息产业不足1％，与日本、欧美等国相比差距巨大 。????我国干式真空泵的生产处于刚刚起步阶段，在全国200多家生产真空泵的企业中，能够生产干式线台。没有形成批量生产。目前国内生产的干泵绝大多数用于实验室及化学、医药等领域，用于半导体行业的很少。????国内飞速发展的电子信息产业没有有效的刺激国内干式真空泵发展，而却成为国际上真空工业发达国家的扩张之地。目前国内建成的半导体集成电路生产线，几乎所有的干式真空泵(包括其它真空设备)均为进口，主要来自英国、日本、德国、美国等。国内生产的干式真空泵进入该领域十分艰难，使得干式真空泵这个未来真空获得设备的主导产品在我国处于十分困难的境地。????造成 此状况的主要原因为干式真空泵在我国的起步较晚，刚一起步即面临国外已经发展成熟的产品大量进入我国市场，国内产品除了价格低外，在加工制造、技术水平、质量状况等各方面不含有优势，国外各国的产品经过几年的较量，已经基本瓜分了国内市场，并且站稳了脚，国内的干式真空泵生产由于失去了市场的激励，没有了发展的动力，进步缓慢。????业内专家一致认为干式真空泵是真空获得设备发展的方向，也是真空获得手段的“尖端”技术，我国的真空泵产业必须在此领域有所作为，首先进入食品、化工、医药等行业。经过这些市场的培育和锻炼，进而打入半导体行业。才能使整个行业与时俱进的发展。????目前国内分子泵应健全系列并开发多品种，如低温分子泵、复合分子泵等，逐渐扩展市场。引进国外先进技术，提升我国产品的科技含量在其他行业有成功的经验。在发展真空获得设备的高端产品中引进国外技术，并很好的消化吸收，将宅誉速改变我国产品技术含量低、质量 和技术水平不能满足市场需求的现状。但苎引进国外技术，应特别注意两点：一是重在消化吸收，在此基础上培育企业的自主知识产权和创新能力。二是不要重复盲目引进，要瞄准国际上当代最新技术，避免引进一代，落后一代。引进国外技术不是目的，而是手段，通过引进技术最终打造国产自主品牌。传统的真空设备我们生产了几十年，在全国范围内形 成了产品分布的稳定格局。但是随 着经济的高速发展，信息技术、航空航天、纳米科学等高科技弓 I导了当今科学技术发展的潮流。而这些高新技术的发展离不开真空获得设备这个基础装备。目前国内的状况是真空泵生产企业仍然以生产传统产品为主在传统应用领域占领90％以上的市场份额。在高科技领域，国内产品在技术水平和质量上不能满足要求，90％以上市场份额由国外产品占领。国内真空获得产品与高新技术的发展严重脱节，产品结构不尽合理。多数企业期望只靠已有的老产品，不断增加产量而逐年增加利润，这种可能性在市场竞争日益激烈的今天会越来越小。在今天的国内外市场格局面前，尽快调整产品结构，使其适应市场需求才是最明智的选择。????产品结构的调整一是要不断推出市场需要的对路产品，对真空泵市场来说，就是要加快各种干式泵、分子泵以及其他高端产品的研制生产，尽快形成批量 。二是全行业要形成高、中、低端产品的合理布局，并随着 市场的变化，不断调整，始终保持比较合理的产品结构状态。????尽管2003年真空行业取得了令人瞩目的成绩，但目前的真空泵技术发展状况却并不乐观。全行业要认真分析形势，总结经验教训 ，团结一致，为行业的发展和技术进步开出一条道路，为我国的经济建设做出 全行业应有的贡献。对未来真空技术的期望，首先希望厂家能研制出方便耐用的设备，朝着用户与厂家相互满足的方向努力。操作要方便，要缩短运转时间或生产周期。因为花费在抽真空上的时间非常长，所以要加以解决。? ? 真空装置和仪表要高级化，提高设备的寿命和精度。希望在太空中建立真空应用的工厂。空间站和飞船也会释放出自身的气体，真空并不理想，在空间飞船后100米以外的地方才能获得理想的超高真空。要利用微重力条件下宇宙真空环境，为人类服务。? ? 铝合金真空装置可能代替不锈钢。实现真空装置铝合金化，硬度问题利用离子镀就可以达到实用化。? ? 今后的发展方向，一是向微小化领域(纳米科技和固体元件的研制)，另一个是向巨大化的领域(如核聚变的研究)，其中在巨大化装置和使用多种气体的真空装置方面，希望能研制出能够用于从粘滞流领域到超高真空的宽域型真空泵。希望能研制出不经烘烤的超高线就可以了。总之要以方便用户的操作为出发点，得到全世界用户对欢迎。? ? 我们希望21世纪中真空科学与技术取得更新的成就。真空行业得到更大的发展。时，连续运转1h，不发生故障所允许的出口压力与入口压力差值的最大值，单位为Pa。 （4）零流量最大压缩比 零流量压缩比就是关闭进气管路、气体流量为零时，前级真空管路中的压力与入口压力之比，该压缩比的最大值用表示。实验气体为非可凝性气体，一般指空气。 2.2罗茨真空泵的型式和基本参数 （1）普通罗茨线L/s的罗茨线L/s的带溢流阀罗茨真空泵，标记为：ZJP-300 3）名义抽气速率为600L/s的气冷式罗茨真空泵，标记为：ZJQ-600 （3）基本参数 一般型及带溢流阀型泵的基本参数应符合表2-1 表2-1 泵的基本参数 气冷式泵的基本参数符合表2-2 表2-2 气冷式泵的基本参数 ZJQ600/400低噪声气冷罗茨真空泵的简介 在各个行业中为了实现无污染的真空获得环境，需要把多台气冷罗茨真空泵与普通罗茨真空泵组合起来进行抽气。但气冷罗茨真空泵及由其组成的机组在运行时噪声较大，影响了一些模拟实验的进行以及工作人员的身心健康。 ZJQ600/400低噪声气冷罗茨真空泵通过研究一种保证在工作过程中既要使排出口及两侧返冷气口的高压气体在回流是对低压气体的冲击小又能保证有充分的反冷气时间的转子线型以及控制由于转子在工作过程中的热膨胀和轴承游隙引起的转子径向和轴向的列和间隙。如图2-4、图2-5所示，ZJQ600/400低噪声气冷罗茨真空泵采用如下扭叶转子型线，转子的截面型线由圆弧- 摆线- 渐开线- 圆弧- 圆弧等多段曲线组成，以达到具有高压缩比的效果；并通过确定合理的转子扭角以及转子导程，以达到合适的返冷气时间，提高高压差下的工作稳定性；同时，采用两扭叶转子，可缩小其轴向错位，以保证转子在工作过程中的安全、高效、可靠。 图2-2 转子扭转角的确定 图2-3 三维参数化造型 （5）两叶与多叶转子气冷式罗茨真空泵型线分析 气冷式罗茨真空泵的型线可以由渐开线、圆弧、摆线或由其组合而成。虽然渐开线型的容积利用系数稍大于圆弧摆线，但从泵的抽数和实际利用效率来看，则圆弧摆线型转子要高一些。本文研究的则是两叶、三叶、四叶圆弧排线转子的型线。 本文先建立摆线的参数方程来确定转子的形状（如图2-4，图2-5所示）。并且通过对不同叶数下的容积利用系数的分析，来确定二者之间的关系。就圆弧摆线转子来说，叶数越多，c值越大，容积利用系数越大，则理论抽速就越大，泵的效率也就越高（三种叶片的-曲线）。同时，叶数增加，封闭工作腔的容积会变小，进气及反流产生的噪声也就越小。 其中 ,（图2-5） 为转子外圆半径（图2-5），为摆线 旋转一定角度后的位置 图2-6 容积利用系数示意 图2-7 三种转子型线罗茨线）泵应符合标准要求，并按照经规定程序批准的图样及技术文件制造。 （2）ZJ（P）型泵必须有前级泵为其预抽真空，它不能单独使用；ZJQ型泵可单独使用，直排大气。 （3）泵配用油封机械真空泵作前级泵时，则不适于抽除含氧气量过高、有爆炸性的、对黑色金属有腐蚀性的、与真空泵油起化学反应和含有尘埃的气体。 （4）在带试验罩的条件下，ZJ（P）型泵启动运转30min之后，应达到图2-2规定的极限压力；ZJQ型泵在启动和运转平衡后（一般3min到5min），应达到图2-3规定的极限压力。 （5）本标准不考核抽气速率。如需测量抽速，ZJ（P）型泵必须配置相应的前级泵，并注明前级泵的型号和规格。 （6）ZJ（P）型泵的其他性能应符合图2-2的规定；ZJQ型泵的其他性能应符合图2-3的规定。 （7）泵工作的环境温度为。 （8）泵应运转平稳，转子不得有撞击声，不应有杂音。 （9）泵的动密封不允许有漏油现象。 （10）泵的外表面应油漆光洁，紧固件及其他外露加工表面应做防锈处理。 （11）泵应无故障运行时间2500h。 （12）泵出厂必须带有必要的备件和专用工具。 （13）在用户遵守泵的运输、保管、安装、使用维护的条件下，从制造厂发货日期起一年内，泵因制造质量不良发生损坏而不能正常工作时，制造厂应为用户免费修理或更换。 第三章 罗茨真空泵的总体设计 罗茨真空泵（简称罗茨泵）是一种旋转式变容真空泵。它是由罗茨鼓风机演变而来的。根据罗茨真空泵工作范围的不同，又分为直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵（又称机械增压泵）和高真空多级罗茨泵。一般来说，罗茨泵具有以下特点： 在较宽的压强范围内有较大的抽速； 起动快，能立即工作； 对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感； 转子不必润滑，泵腔内无油； 振动小，转子动平衡条件较好，没有排气阀； 驱动功率小，机械摩擦损失小； 结构紧凑，占地面积小； 运转维护费用低。 因此，罗茨泵在冶金、石油化工、造纸、食品、电子工业部门得到广泛的应用。在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除取决于本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。 罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出。由于吸气后v0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。 但当转子顶部转过排气口边缘，v0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间v0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵如图为罗茨泵转子由0°转到180°的抽气过程。在0°位置时（图中a），下转子从泵入口封入v0体积的气体。当转到45°位置时（图中b），该腔与排气口相通。由于排气侧压强较高，引起一部分气体返冲过来。当转到90°位置时（图中c），下转子封入的气体，连同返冲的气体一起排向泵外。这时，上转子也从泵入口封入v0体积的气体。当转子继续转到135°时（图中d），上转子封入的气体与排气口相通，重复上述过程。180°（图e）位置和0°位置是一样的。转子主轴旋转一周共排出四个v0体积的气体。 图3-1 工作过程 目前国内外的罗茨泵，多数为卧式结构，泵的进气口在上，排气口在下，这种卧式结构重心低，高速运转时稳定性好。罗茨真空泵的两个转子是通过一对高精度的齿轮来实现其相对同步旋转的。如图3-2是罗茨真空泵的剖面示意图。 图3-2 罗茨泵剖面示意图 1.主动轴 2.轴套 ? 3.轴承压盖 4.滚动轴承 5.轴承垫圈 6.挡油套 7.密封环衬套 8.转子 9.挡油环 10.螺栓 11.D型密封圈 12.齿轮压盖 13.齿轮键 14.齿轮 15.垫圈 16.齿轮盖板 17.螺栓 18.转子平键 19.螺母 20.轴承座 21.弹簧垫圈 22.端盖 23.甩油盘 24.核体 25.进出气口盖 26.盖板 27.从动轴 泵的传动多为直联式的，大泵则有皮带传动的。电动机与传动齿轮，多设在转子轴的两侧，安装拆卸方便。主动轴传递的扭矩较大，轴要有足够的强度和刚度，轴与转子要固结牢靠。罗茨泵的密封很关键，主动轴外伸部分、两个转子的轴承与泵腔之间设有动密封，泵腔与各端盖设有静密封。 3.2 电动机的选择 罗茨泵泵腔内无摩擦，转子可高速运转，一般为1500~3000r/min，而且不必用油润滑，可实现无油清洁的抽气过程。泵的润滑部位仅限于轴承和齿轮，以及动密封处。罗茨泵没有往复运动不见，故可实现良好的动平衡。因此，罗茨泵运转平稳，转速高，尺寸小可获得大的抽速。 有关参数： 表3-1有关数据 参量 参数值 单位 功率 3.0 KW 吸入口压力 1.33 Pa 出口压力 133 Pa 额定转矩 2.2 N.m 抽气速率 150 L/S 转速 2900 r/min 线范围内选取，取0.8 （2）几何抽速：按 计算得，1.2 （3）转子相对长度：选择得，3.0 （4）型线的质量系数：对于双叶转子为0.617~0.50 选择得，0.524 （5）转子顶的圆周速度：决定转子的离心力大小，也就是决定转子的强度故取65m/s （6）转子的计算半径R： 3-1 取R=0.112 （7）转轴的计算频率n： 3-2 （8）轴旋转频率：选异步电机旋转频率 故选用Y132S1-2 Y型异步电动机 3.3 总体传动结构设计 （1）总体传动比： 3-3 （2）传动装置的运动和动力参数计算 Ⅰ轴： 3-4 3-5 Ⅱ轴： = 3-6 3-7 3-8 （3）故定最小轴径 3-9 所以选取联轴器轴孔 3.4 斜齿圆柱齿轮传动设计计算 3.4.1 按齿面接触强度设计 （1）齿轮精度选择6级精度：6-DB179-60 （2）材料选择：齿轮材料为40Cr（淬火） HRC50-50 （3）选择齿轮齿数 （4）选取螺旋角： （5）按齿面接触强度设计试选 （6）选取 所以 3-10 （7）齿轮传递的转矩： （8）齿宽系数=1 （9）材料的弹性影响系数 （10）查得齿轮的接触疲劳极限 （11）计算应力循环次数： 3-11 （12）查得接触疲劳寿命系数 （13）计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数S=1 3-12 （14）计算齿轮分度圆直径 3-13 （15）计算圆周速度 3-14 （16）计算模数 3-15 3-16 （17）计算纵向重合度 3-17 （18）计算载荷系数 根据，6级精度，查得动载系数， 查得公式为 3-18 查得 查得 故载荷系数 3-19 （19）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 3-20 （20）计算模数 3-21 3.4.2按齿根弯曲强度设计 （1）根据纵向重合度查得螺旋角影响系数 （2）计算当量齿数 3-22 （3）查取齿形系数和应力校正系数并计算 3-23 （4）设计计算模数 3-24 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的发面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的发面模数所以取已可满足弯曲强度。需按接触疲劳强度算得的分度圆直径来计算应有的齿数。于是由 3-25 取Z=66 3.4.3 齿轮几何尺寸计算 （1）计算中心距 3-26 将中心矩圆整为168mm （2）按圆整后的中心距修正螺旋角 3-27 因值改变不多，故参数、、等不必修正。 （3）计算齿轮分度圆直径 3-28 （4）计算齿轮宽度 圆整后取B=38mm 齿轮结构如图3-4： 图3-4 齿轮示意图 3.5 渐开线型转子型线的确定 渐开线型转子的两侧为渐开线，齿顶及齿根都为圆弧齿型。一般渐开线齿轮，其齿顶部及齿根不均为过渡曲线，不参加啮合。在罗茨真空泵中，整个转子型线都必须参加共轭运动，所以圆弧取代了原渐开线是渐开线一销齿圆弧型转子的局部型线视图,型线由以下几部 分组成: (1)渐开线工作段曲线GK:由于两转子叶数相同,故节圆半径为A/2(A是两转子中心距),转子的渐开线部分与另一转子的渐开线部分相啮合,它是型线)叶峰工作段曲线KJ:它是节圆上的一段销齿圆弧,它与另一转子的叶谷相啮合。 (3)叶谷工作段曲线G:它与另一转子的叶峰相啮合,叶谷的曲线也是节圆上的一段销齿圆弧。 图1 渐开线一销齿圆弧型线局部图 该型线转子存在如下关系: 综上三式得到: 式中 ：两转子最小中心距 D：转子大圆直径 Z：转子数 ：节圆最小压力角 对于标准渐开线D 本课题实际选定转子参数为: Z(转子头数)=2 D（转子大圆直径）=120mm A（两转子中心距）=80mm 以此建立转子型线方程如下： 以、为圆心，以A/2为半径做两个相切于P点的圆，此两圆为节圆，P为节点。 过节点P做两节圆的公切线t-t，再过P点做与t-t夹角为（为节圆压力角）的直线° 以、为圆心作两个与相切的圆,切点分别为、,这两个圆就是渐开线的基圆,其半径设为R。 分别以,为圆心，（A-R）为半径做圆，交直线即为渐开线实际啮合线长度。 作转子渐开线GK,渐开线GK分别与、相交于G、K两点。A点为齿谷圆弧中心,且在节圆上,OA与X轴成0度角。AM为过A点所作基圆的切线,M为切点,为渐开线与基圆的交点,即渐开线的始点。 ∽ 则GK段渐开线方程为： （式中，为渐开线的展角） 令 在中， 在中， 而 23° 由渐开线性质知， 而= 而 本设计中G点为渐开线与销齿圆弧的连接点，由渐开线的展角定义可知： 即 由渐开线的展角定义可知： 即 所以GK段渐开线方程变为： 将以为水平轴的坐标系，顺时针转过角，坐标旋转方程为： （） 则GK渐开线） 为A点为圆心，以AG为半径做圆弧IG，此圆弧就是转子的销 齿圆弧齿谷。设A点坐标为, 则 所以IG圆弧的方程为： （2） 故角的范围是[140.46°,180°]。 以P点为圆心，以PK为半径做圆弧KJ，此圆弧就是转子的销齿圆弧齿峰。设P点坐标为，则 故KJ圆弧的方程为： （3） 显然角的范围是：，即[50.46°，90°]。 综合（1）、（2）、（3）式就是二叶罗茨泵转子渐开线 按扭转强度条件计算 （1）电机功率 （2）轴传扭矩 3-51 （3）轴的直径计算 3-52 3.6.2按刚度条件计算 经查表得铸铁剪切弹性模量 所以 3-53 所以转子轴最小直径取D=35 3.6.3 精确校核轴的疲劳强度 （1）判断危险截面 从应力集中对轴的疲劳强度影响来看。截面Ⅱ处的过盈配合引起的应力集中最严重；从受载的情况来看，截面Ⅲ和Ⅳ之间上的应力大，但应力集中不打，而且这里轴的直径最大，所以不用校核，因而该轴只需校核截面Ⅱ左右两侧即可。轴的结构如下图： 图3-5轴的结构 （2）截面Ⅱ的左侧 抗弯截面系数 3-54 抗扭截面系数 3-55 弯矩M及弯曲应力为 3-56 3-57 扭矩T及扭转切应力为 3-58 轴的材料为QT700-2，正火处理。查得 ，， 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数和，因， ，经查得，可得轴的材料的敏系数为 ， 过盈配合处的值，由表查出取3.16 3-59 轴按磨削加工，表面质量系数为 故综合系数为 3-60 3-61 所以轴在截面Ⅱ左侧的安全系数为 3-62 3-63 3-64 所以截面Ⅱ左侧强度足够 （2）截面Ⅱ右侧 抗弯截面系数 3-54 抗扭截面系数 3-55 截面Ⅱ右侧的弯矩为 3-56 截面Ⅱ右侧的扭矩 截面上的弯曲应力 3-57 截面上的扭转切应力 3-65 故有效应力集中系数为 3-66 3-67 轴表面未经表面强化处理，即，得综合系数值为 3-68 3-69 计算安全系数为 3-70 3-71 3-72 故该截面右侧的强度也足够。 3.7 轴承选取设计计算 3.7.1 轴承的设计参数 轴承类型 深沟球轴承 轴承型号 6310 轴承内径 d=50 (mm) 轴承外径 D=110 (mm) B(T)=27 基本额定动载荷 C=47500 (N) 基本额定静载荷 Co=35600 (N) 极限转速(油) 7500 (r/min) 3.7.2 轴承的当量动载荷计算 轴承类型：深沟球轴承 （1）计算径向载荷和轴向载荷 3-73 3-74 3-75 3-76 3-77 径向载荷 Fr = 268.54(N) 轴向载荷 Fa = 140.55(N) 额定静载荷Co =35600(N) 径向载荷系数 X = 0.4 （2）计算当量动载荷 3-78 3-79 3-80 3-81 所以 故符合要求 （3）寿命校核 额定动载荷 C = 47500(N) 当量动载荷 P = 402(N) 轴承转速 n = 2900(r/min) 工作温度 T =20(℃) （温度系数 ft = 1） 要求寿命 Lh = 4500(h) 计算寿命 Lh = =16122(h) 3-82 所以 轴承寿命合格 第四章 罗茨线 SolidWorks简介 4.1.1 SolidWorks 的含义、创建和发展 SolidWorks 是一套具有生产力的实体模型设计系统，该软件是有史以来第一个基于 Windows 开发应用的三维 CAD 系统。SolidWorks 公司始建于 1993 年，由于其超众的技术和绝佳的市场表现，使其不仅成为了 CAD 行业炙手可热的产品，也成为了大型商业亲睐的对象，SolidWorks 公司于 1997 年被法国达索公司（Dassault Systemes）收购。1995 年第一套 SolidWorks 三维机械设计软件一经推出，便得益于其技术创新符合 CAD 技术的发展潮流和趋势而得到广泛应用，由因此为该公司创造了高额利润。公司良好的效益和得到广大使用者的认可支持，也使得公司不断追求技术创新，每年都有数十上百个研究成果问世。 4.1.2 SolidWorks 的功能和特征 SolidWorks 由于其综合运用了先进的 parasolid 内核、直观的设计术、 Windows OLE 技术和良好的第三方软件集成技术，因此成为当今社会装机量最大且最易于运用的软件。其运用范围之广，涉及了包括航天航空、国防、电子通讯等一系列国家尖端科技项目在内的众多领域。SolidWorks 可为广大的使用者提供各式各样的设计方案，还可减少设计过程中的错误，提高设计产品的质量，节约设计时间，减少不必要的麻烦。 SolidWorks 是一款具有众多插件及强大功能的 CAD 软件。其最主要的特征是：易学易用、功能强大和技术创新。首先就易学易用来说：只要掌握了微软的Windows 系统的操作，就能够运用 SolidWorks 进行简单的设计了。SolidWorks软拥有自己的资源管理器，它是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，可利于我们更为简便的管理 CAD 文件。SolidWorks 的易学易用还在于它的设计过程较为简便，它提供的 AutoCAD 模拟器，可使 AutoCAD 用户保持原有的作图习惯，简易地从二维设计转为三维实体设计。其次再说 SolidWorks 功能强大这一极其显著的特点：该软件独有的拖拽功能能够满足用户在较短时间内完成大型装配设计的需求，能在短时间内更多更好更快地将高质量的产品投入运用实践。SolidWorks 的全动感用户界面，为使用者提供了一整套完整的动态界面和鼠标控制，这样可以大大地缩短设计步骤和减少多余的对话框，从而使操作界面看上去更加整洁舒适。SolidWorks 软件体系结构中的“配置管理”，包含了零件设计、装配设计和工程图，让使用者在同一个 CAD 文档中，通过对不同参数的变换组合由此衍生不同的零件。它同时还具备“协同工作”的功能。SolidWorks 支持 Web 目录，作者可将自己的设计储存于互联网的文件夹中，当 SolidWorks 与互联网接通时，作者无论何时何地都可以查看自己的设计，极为方便。在SolidWorks 中，当有新的零件生成时，你可直接参考其他的零件，以便更好地设计修改零件。SolidWorks 对零部件越多的大型装配体可更好地展示其强大的功能，而且可动态地查看装配体的所有运动，并运用智能零件技术按正确顺序完成配件的组装等。最后再说 SolidWorks 的技术创新：SolidWorks 从创立之初到现在，发布了将近 20 个大版本，每一个新版本的发行，都伴有众多的新功能，其中 90%的新功能都来自于客户的请求，这就表明了 SolidWorks 的设计是一项与时俱进，不断满足使用者需求的新科技。例如 2009 年 SolidWorks 功能中的工程图快速查看、间隙验证、使用唇缘和凹槽特征快速建立扣合模型，在 2010 年SolidWorks 的新增功能中，就有一个用于环保评估的工具，这是同类软件所不具备的。这些功能的不断新增和发明，都是 SolidWorks 追求科技不断创新的表现。 SolidWorks 这一简易却功能强大的软件，在可以日益发达的今天，越来越多的运用到经济社会的各个方面，尤其在科研方面，做出了巨大的贡献。 4.2 罗茨真空泵零部件的三维模型 图4-1 从动轴 图4-2 主动轴

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